Premessa

L’avvento dei moderni computer ha permesso la recente immissione sul mercato europeo di un nuovo strumento di valutazione della funzione respiratoria denominato tecnica dell’oscillazione forzata (FOT).

Di seguito sono riportate informazioni utili per comprendere i principi su cui la tecnica si basa e le sue applicazioni sia nella ricerca che nella clinica pratica.

Che cos’è la FOT

La FOT è una tecnica non invasiva di studio della funzione ventilatoria durante respiro tranquillo. La tecnica standard prevede l’applicazione di un’oscillazione pressoria di circa 2 cm H2O alla bocca ad opera di un oscillatore esterno. Per una frequenza > 2 Hz, l’attività della pompa respiratoria muscolare è minima. Pertanto, la pressione di spinta è quella del generatore. Il rapporto tra pressione e flusso generati dall’oscillazione identifica l’impedenza oscillatoria (Z) caratterizzata dalla resistenza (R) (pressione in fase con il flusso) e dalla reattanza (X) (pressione in fase con il volume). Concettualmente, R si riferisce alla difficoltà del gas a muoversi all’interno del polmone a causa della resistenza che incontra nelle vie aeree centrali e periferiche, la resistenza del tessuto polmonare e della gabbia toracica ad assumere conformazioni diverse con i movimenti del respiro. In pratica, un elevato valore di R denoterà un aumento della resistenza al flusso all’interno delle vie aeree in caso per esempio di broncospasmo, o di aumentata resistenza dei tessuti a distendersi con l’atto respiratorio. X è invece, una variabile che stima la capacità del polmone a contenere gas. In altre parole, X è funzione di quanto gas c’è nel polmone, delle caratteristiche fisiche di tutti i tessuti (parete bronchiale, alveoli, pleura, torace) e della compliance del gas. In pratica, X sarà tanto più negativa quanto meno aria c’è nel polmone a causa di qualunque difetto ventilatorio restrittivo nel range del respiro tidal o quanto più il sistema toraco-polmonare è rigido (aumento della pressione elastica polmonare o della gabbia toracica).

Questa interpretazione è ragionevolmente semplice da comprendere se la frequenza d’onda sovrapposta al respiro tranquillo è sufficientemente bassa perché l’onda oscillatoria ha la possibilità di esplorare tutte le strutture respiratorie nel loro contributo resistivo e reattivo. Quando però nel soggetto sano la frequenza della sinusoide viene aumentata, mentre R rimane quanto mai stabile rispetto alle basse frequenze, X tende ad approcciare gradualmente lo zero o poi a diventare positiva. Questo è dovuto all’aumento di pressione necessario per aumentare la velocità del gas. In altre parole, l’aumento progressivo di X con l’aumento della frequenza di oscillazione riflette le caratteristiche inerziali del sistema. Ad oggi, tale dato non ha applicazioni cliniche. Esiste una frequenza di oscillazione, detta anche di risonanza, alla quale X assume il valore zero. A questa frequenza Z è unicamente data da R. In altre parole, Z misura le proprietà resistive del sistema che prevalentemente sono offerte dalle vie aeree.

Applicazioni cliniche pratiche

In campo clinico la FOT offre importanti informazioni. Per esempio, R e X alla frequenza di 5 Hz (R5 e X5), offrono danno indicazioni sulle condizioni resistive e capacitative del sistema. Per esempio, in corso di qualsiasi patologia ostruttiva, R5 sarà aumentata. In presenza di patologie restrittive invece, X5 assumerà valori più negativi rispetto ai valori normali.  In molte condizioni ostruttive comunque, X5 diventerà più negativo. Questo non è dovuto a qualche cambio delle proprietà elastiche del polmone, ma semplicemente perché alcuni settori polmonari sono esclusi dalla ventilazione o quasi, e l’onda oscillatoria esplora soltanto quelli ventilati. La riduzione di X5 denuncerà in questo caso, la riduzione della ventilazione polmonare. In queste condizioni, se si esplora la funzione polmonare ad una frequenza di oscillazione per esempio a 19 Hz che è ben superiore alla precedente di 5 Hz, si vedrà che R19 si riduce rispetto a R5. Questo fenomeno è detto frequenza dipendenza di R e trova ragione nel fatto che a bassa frequenza (5 Hz), l’onda oscillatoria può esplorare settori dove la resistenza è alta, mentre a frequenze alte come a 19 Hz, l’onda non ha tempo di penetrare in tali settori ed esplora soltanto quelli più ventilati dove la resistenza al flusso è minore.

Applicazioni nel campo della ricerca

Con la recente innovazione tecnologica, i segnali di impedenza R e X possono essere catturati istante per istante durante l’atto respiratorio (within-breath analysis). Questo ha permesso di esplorare la funzione polmonare nei suoi due domini fondamentali: volume e tempo. Inoltre, tale metodologia permette di limitare l’analisi dei segnali meccanici alle singole fasi inspiratoria ed espiratoria. Per esempio, l’esame della funzione meccanica limitata alla fase inspiratoria dà la possibilità di eliminare gli artefatti della compressione dinamica delle vie aeree in fase espiratoria sulla misura finale dell’impedenza.

Date le sue caratteristiche tipicamente non invasive e capaci di esplorare la funzione polmonare sotto ogni suo aspetto, questa tecnologia ben si presta a numerose applicazioni di nel campo della ricerca biomedicale respiratoria. Una di queste è la misura della risposta delle vie aeree al respiro profondo. I dati bibliografici degli ultimi 20 anni in questo settore documentano che l’asma bronchiale si differenzia dalle condizioni di normalità per una riduzione significativa dell’effetto broncodilatatore del respiro profondo in corso di attivazione del muscolo liscio bronchiale. Inoltre, questa caratteristica è associata ad un aumento della velocità di ritorno del tono bronchiale ai valori precedenti il respiro profondo. Parte di questa informazione è condivisa dalla BPCO. Poiché questi fenomeni sono causati verosimilmente da un patologico ipertono del muscolo liscio, è ovvio che misurare gli effetti del respiro profondo in tali condizioni nel singolo individuo può portare informazioni cruciali su uno dei determinanti maggiori dell’asma e forse anche della bronchite ostruttiva cronica, nonché esaminare i meccanismi attraverso i quali funzionano le terapie broncoattive ed i loro risultati clinici sui singoli pazienti.

Un altro campo di primario interesse nell’asma e BPCO è il rimodellamento della parete delle vie aeree in termini sia meccanicistici (da ipertono muscolare e dunque ancora passibile di trattamento farmacologico o rimodellamento fisso?) e temporali (quando questo compare). A questo proposito, la FOT permette di esaminare la distensibilità della parete bronchiale durante graduali aumenti e decrementi di volume polmonare. In tal modo è possibile costruire una curva resistenza-volume polmonare con la possibilità di calcolare ai tre volumi fisiologici (volume residuo, capacità funzionale residua e capacità polmonare totale) la pendenza dei singoli segmenti. L’uso dei test dilatatori o costrittori o delle normali terapie broncoattive o dell’esercizio fisico stesso su tale curva offre indicazioni sul grado di rigidità della parete delle vie aeree ai vari volumi polmonari.

Infine, il test offre la possibilità, unica nel suo genere, di esplorare la variabilità del tono bronchiale in un ridotto spazio di tempo sul principio della frattalità dei segnali temporali. Per esempio, si è notato che la resistenza varia tra un respiro e l’altro in modo quanto mai disordinato. Se tale variabilità temporale è minima nel soggetto sano in posizione seduta, questa aumenta notevolmente in posizione a supina e più che mai nel paziente affetto da asma bronchiale. Ciò è verosimilmente causato da variazioni del carico interno ed esterno delle vie aeree che metterebbero il muscolo liscio nelle condizioni di assumere conformazioni dimensionali quanto mai variabili e caotiche in modo particolare se il muscolo stesso è attivato come nell’asma da meccanismi estrinseci o intrinseci. Recenti studi dimostrerebbero che dal punto di vista dei modelli frattalici, tale variabilità, per essere importante dal punto di vista clinico, deve avere un periodo di osservazione minimo di 4 giorni almeno per i pazienti asmatici lievi. Certamente, per quelli più gravi è verosimile attendersi una dimensione temporale ancora minore di quella sopra riportata e forse anche di pochi minuti in caso di forte instabilità bronchiale.

Conclusioni

In conclusione, la FOT si sta rivelando un nuovo strumento di grande utilità clinica per il suo grande potenziale informativo sulle condizioni meccaniche del parenchima e delle vie aeree e per la sua non invasività e semplicità d’uso. Per quanto riguarda la ricerca, gli esempi sopra riportati documentano la capacità del test di esplorare dimensioni funzionali inesplorabili con le vecchie tecniche.

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